Pythonのビット演算

プログラミング
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ビット演算は、昔はメモリ領域の節約のために用いられる手法でしたが、最近ではメモリも潤沢にあるので、使う機会も減りました。

ですが、使いどころによっては様々な状態を表す演算として有用となりますので、いつでも使えるようにしておくことが望ましい機能です。

本記事では、Pythonにおけるビット演算について解説します。

記事内に記載しているプログラムは、Python3.6.8を使って動作確認をしています。

Pythonのビット演算

Pythonのビット演算について、以下の内容を解説します。

  • Pythonでのビット演算の扱い方
  • AND演算
  • OR演算
  • XOR演算
  • NOT演算
  • 左シフト演算
  • 右シフト演算

Pythonでのビット演算の扱い方

ビット演算はその名の通り、1ビット単位で演算を行うので、プログラムも2進数で表現していきます。
Pythonで2進数で表現するには、先頭に 0b をつけます。

a = 0b1010
print(a) # -> 10

2進数のまま表示するには、bin関数を使います。

print(bin(a)) # -> 0b1010

上記の方法では、値によって桁数が一定でなく、分かりづらいことがあるので、例えば8桁に揃える場合は以下のようにします。

print(format(a, "08b")) # -> 00001010

負の整数を上記の方法で変換すると、2の補数表現ではなく、絶対値にマイナス符号がついた形式になります。

a = -0b1010
print(a) # -> -10
print(bin(a)) # -> -0b1010
print(format(a, "08b")) # -> -0001010

AND演算

AND演算を行うには、演算子&を使います。
AND演算は演算するビット同士が1であれば結果は1、それ以外の組み合わせは0となる計算を行います。

a = 0b1010
b = 0b0110

result = a & b
print(result) # -> 2
print(format(result, "08b")) # -> 00000010

上記のプログラムは、「0b1010」と「0b0110」のAND演算になるので、結果は「0b0010」となって2となります。

OR演算

OR演算を行うには、演算子|を使います。
OR演算は演算するどちらかのビット1であれば結果は1、両方のビットが0であれば結果は0となる計算を行います。

a = 0b1010
b = 0b0110

result = a | b
print(result) # -> 14
print(format(result, "08b")) # -> 00001110

上記のプログラムは、「0b1010」と「0b0110」のOR演算になるので、結果は「0b1110」となって14となります。

XOR演算

XOR演算を行うには、演算子^を使います。
XOR演算は演算するビットが0と1で異なる場合は結果は1、ビットが同じ0同士または1同士であれば結果は0となる計算を行います。

a = 0b1010
b = 0b0110

result = a ^ b
print(result) # -> 12
print(format(result, "08b")) # -> 00001100

上記のプログラムは、「0b1010」と「0b0110」のXOR演算になるので、結果は「0b1100」となって12となります。

NOT演算

NOT演算を行うには、演算子~を使います。
NOT演算は1つ値の持つ各ビットを反転させる計算を行います。

a = 0b1010

result = ~a
print(result) # -> -11
print(format(result, "08b")) # -> -0001011

上記のプログラムは、「0b1010」の各ビットを反転させて1を加えた補数表現となります。

左シフト演算

左シフト演算は、演算子<<を使って、ビットをそのまま指定した数だけ左に移動させます。
左端はそのまま桁あふれとなり、右端から0が入ってきます。

a = 0b1010

result = a << 2
print(result) # -> 40
print(format(result, "08b")) # -> 00101000

上記のプログラムは、「0b1010」を2桁左に移動して、「0b101000」となって40となります。
左シフトするごとに2倍になっていくことになります。

右シフト演算

右シフト演算は、演算子>>を使って、ビットをそのまま指定した数だけ右に移動させます。
右端は切り捨てられ、左端は正の数であれば0、負の数であれば1が入って、符号をそのまま引継ぎます。

a = 0b1010

result = a >> 2
print(result) # -> 2
print(format(result, "08b")) # -> 00000010

上記のプログラムは、「0b1010」を2桁左に移動して、「0b0010」となって2となります。
右シフトするごとに1/2になっていくことになります。
端数は切り捨てられ、最終的に0となります。

なお、負の数に対して、>>による右シフト演算を行うと、負数のまま右シフトとした補数表現となります。

まとめ

Pythonのビット演算についてまとめると、以下となります。

  • Pythonで2進数を扱うには、値の先頭に0bを付ける。
  • ビット演算は各ビットに対して演算を行う。
  • シフト演算は各ビットを移動させて演算を行う。

通常あまり使う機会はないかもしれませんが、桁に意味を持たせてフラグ管理したい場合などに使ってみてはいかがでしょうか。

 

今回は、Pythonのビット演算について解説しました。

以上、参考になれば幸いです。

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